汽車應(yīng)用中磁阻傳感器系統(tǒng)的建模和仿真

磁阻效應(yīng)支持汽車內(nèi)的多種傳感器應(yīng)用。磁阻傳感器主要用來測量機(jī)械系統(tǒng)的速度和角度。這樣，磁阻傳感器就成為電氣元件、磁性元件和機(jī)械元件所組成的復(fù)雜系統(tǒng)的一部分。因為所有元件都會影響系統(tǒng)的反應(yīng)，所以在規(guī)劃系統(tǒng)及其操作時要非常重視對整個系統(tǒng)的仿真。下面重點(diǎn)討論這種系統(tǒng)的建模和仿真。

　　電子技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，對汽車的發(fā)展具有決定性的促進(jìn)作用。未來的進(jìn)一步發(fā)展也會在很大程度上由不斷創(chuàng)新的電子元件驅(qū)動。傳感器技術(shù)可檢測車輛及其周圍環(huán)境條件，因此具有特殊意義。有多種傳感器系統(tǒng)可用于此類目的，例如加速度傳感器、溫度傳感器或轉(zhuǎn)矩傳感器等。磁場測量傳感器在汽車內(nèi)尤其常見，主要用于機(jī)械變量的非接觸式檢測。通常這種傳感器通過霍爾元件，或者基于各向異性磁阻 (AMR) 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。與使用霍爾效應(yīng)的解決方案相比，AMR 傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)，例如抖動更少、靈敏度更高。但在提高準(zhǔn)確性或降低整體系統(tǒng)成本方面，二者不分伯仲。除了在電子羅盤中利用磁阻傳感器測量地球磁場之外，尤其是借助磁場指示機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動和位置時，可使用磁阻傳感器確定角度和速度。防滑系統(tǒng)、引擎和傳送控制都需要這種數(shù)據(jù)。產(chǎn)生磁場的永磁體的機(jī)械設(shè)計和選擇會在很大程度上影響測量數(shù)據(jù)的獲取。因此，在部署整個系統(tǒng)之前使用仿真技術(shù)進(jìn)行深入分析非常重要，以確保達(dá)到目標(biāo)功能并降低成本。因此，在前期開發(fā)過程中建立系統(tǒng)模型，之后用于支持后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)，對于解決設(shè)計過程中產(chǎn)生的這類問題也能發(fā)揮重要作用。下文將探討新型速度傳感器的整體系統(tǒng)建模和仿真。

　　圖 1 AMR 傳感器系統(tǒng)包含兩個封裝

　　圖 2 各向異性磁阻效應(yīng)

　　信號檢測

　　現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)主要由兩個元件組成 —基本傳感器和信號處理專用集成電路 (ASIC)(圖 1)?，F(xiàn)已證明，后來由 Lord Klevin 于 1857 年發(fā)現(xiàn)的各向異性磁阻效應(yīng)特別適用于檢測磁場。首先考慮通常具有多種磁疇結(jié)構(gòu)的鐵磁性材料。這些稱之為韋斯磁疇的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部磁化的方向彼此不同。如果將這種材料平鋪為一薄層，那么磁化矢量處于材料層平面方向。另外，可較精確地假設(shè)只存在一個磁疇。當(dāng)這種元件暴露于外部磁場中時，后者會改變內(nèi)部磁化矢量的方向。如果同時一股電流通過該元件，就會產(chǎn)生電阻(圖 2)，這取決于電流和磁化之間的角度。當(dāng)電流和磁化方向彼此成直角時，電阻最小，當(dāng)二者平行時，電阻最大。電阻變化的大小取決于材料。鐵磁性材料的性質(zhì)也決定對溫度的依賴性。電阻最大變化為 2.2% 并且對溫度變化反應(yīng)良好的最佳合金是 81% 的鎳和 19% 的鐵組成的合金。恩智浦所有傳感器系統(tǒng)中的基本傳感器都采用這種強(qiáng)磁鐵鎳合金。在惠斯登電橋電路中單獨(dú)配置幾個 AMR 電阻，以增強(qiáng)輸出信號并改善溫度反應(yīng)特性。此電路也可在制造過程中進(jìn)行微調(diào)。圖 3 顯示如何在裸片上配置 AMR 元件。

　　確定速度的裝置多半由兩個組件組成：編碼器輪和傳感器系統(tǒng)。編碼器輪可以是主動式或被動式。主動輪已磁化，因此 MR 傳感器可檢測北極和南極之間的變化。如果是被動輪，則由一種齒狀結(jié)構(gòu)代替磁化。如圖 1 所示，傳感器頭上也必須有一塊用于產(chǎn)生磁場的永磁體。接下來，我們只討論因公差極小而著稱的被動編碼器輪。當(dāng)傳感器對稱地面對一個齒或者被動輪兩齒之間的空隙時，這不會使 AMR 元件的磁化矢量產(chǎn)生任何偏斜。忽略外部噪聲場并考慮橋電路時，輸出信號獲得零值。然而，如果傳感器頭處于齒邊緣前面，則磁輸入信號達(dá)到極值。齒/空隙或空隙/齒切換類型的函數(shù)結(jié)果與磁輸入信號正弦曲線的最小值或最大值非常接近。

　　信號處理

　　為了確定速度，將磁輸入信號編碼處理為電脈沖序列，而且通常通過 7/14 mA 協(xié)議傳送。在最簡單的情況下，可使用比較器產(chǎn)生脈沖序列。通常會向比較器電路添加磁滯以消除低噪聲的影響。然而，這種施密特觸發(fā)器在噪聲水平較高的條件下不能確保其功能性。例如，傳感器頭和編碼器輪之間空隙出現(xiàn)顯著波動會導(dǎo)致磁輸入信號振幅發(fā)生波動。如果振幅變得很小，甚至不再超過或低于磁滯臨界值，則不管編碼器輪的位置如何，輸出信號都保持其有效工作時的最后狀態(tài)。在檢測 ABS 系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速時，傳感器和編碼器輪之間的距離可能會出現(xiàn)這種變化。當(dāng)存在負(fù)載變化(例如突然轉(zhuǎn)向動作)，橫向作用于輪上的離心力會在輪軸上產(chǎn)生彎曲力矩。這將改變安裝在與傳感器相關(guān)的軸上的編碼器輪的位置，這些傳感器是與輪懸架相結(jié)合的。

　　磁位移也會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，噪聲場可使實(shí)際測量信號加強(qiáng)或減弱，致使施密特觸發(fā)器的臨界值被高估或低估。然而，位移不僅是由外部場引起的。被動輪極高的速度可使輪中產(chǎn)生渦流，而這又會產(chǎn)生磁噪聲場。所產(chǎn)生的位移會影響操作的可靠性。

　　為消除此噪聲對輸出信號的影響，另一封裝中裝入了信號處理專用集成電路(ASIC)。后者也包含一個線路驅(qū)動器，以便為信號處理和高電壓接口提供電源電壓(圖 1)。圖 4 所示為信號處理架構(gòu)。用于故障排除的中心元件為包括調(diào)式放大器、偏移抵消電路和智能比較器。根據(jù)傳感器和編碼器輪之間的距離，可調(diào)式放大器可以與信號級匹配。對于偏移抵消電路，有一種控制系統(tǒng)(與高通濾波器不同)可消除偏移，同時將系統(tǒng)頻率保持為 0?Hz。否則，就不可能檢測到停止不動的編碼器輪。智能比較器的臨界值是可變的，并且可設(shè)置，使磁滯處于信號振幅的 20% 和 45% 之間。這可確保充分抑制噪聲，而且振幅突降達(dá) 50% 也不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。模擬前端的個別組件控制則通過數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)。所述系統(tǒng)均利用仿真技術(shù)開發(fā)和驗證。下文將概略介紹系統(tǒng)開發(fā)，同時闡述如何使用模型來改進(jìn)設(shè)計。

　　圖 3 裸片上的 AMR 元件配置

　　圖 4 現(xiàn)代速度傳感器的信號處理原理